甲烷

火星上的甲烷一直是謎一樣的存在，在光臨過(guò)火星的各種探測(cè)器中，有些能發(fā)現(xiàn)他們的存在，而有些就不能。而甲烷，常常是厭氧微生物存在的間接證據(jù)。這種氣體在地球上有另一個(gè)詞“沼氣”。

(相關(guān)資料圖)

在火星探測(cè)到甲烷的報(bào)告吸引了科學(xué)家和非科學(xué)家的注意。在地球上，大量的甲烷是由幫助大多數(shù)牲畜消化植物的微生物產(chǎn)生的。這個(gè)消化過(guò)程以牲畜呼氣或向空氣中打嗝結(jié)束。

雖然火星上沒(méi)有牛、綿羊或山羊，但在那里發(fā)現(xiàn)甲烷令人興奮，因?yàn)檫@可能意味著微生物曾經(jīng)或現(xiàn)在生活在這顆紅色星球上。然而，甲烷可能與微生物或任何其他生物學(xué)無(wú)關(guān)。涉及巖石、水和熱相互作用的地質(zhì)過(guò)程也可以產(chǎn)生它。

在確定火星上甲烷的來(lái)源之前，科學(xué)家們必須解決一個(gè)一直困擾著他們的問(wèn)題：為什么有些儀器可以檢測(cè)到氣體而有些則不能？例如，美國(guó)宇航局的好奇號(hào)火星車多次在蓋爾隕石坑表面上方探測(cè)到甲烷。但是 ESA（歐洲航天局）的 ExoMars 微量氣體軌道飛行器沒(méi)有在火星大氣中檢測(cè)到任何更高的甲烷。

“當(dāng)微量氣體軌道飛行器于 2016 年加入時(shí)，我完全期待軌道飛行器團(tuán)隊(duì)報(bào)告火星上到處都有少量甲烷，”樣本中可調(diào)諧激光光譜儀 (TLS) 儀器的負(fù)責(zé)人克里斯韋伯斯特說(shuō)好奇號(hào)火星車上火星 (SAM) 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的分析。

TLS 測(cè)得的蓋爾隕石坑中甲烷的平均體積不到十億分之一。這相當(dāng)于在奧林匹克規(guī)模的游泳池中稀釋一撮鹽。這些測(cè)量結(jié)果因體積高達(dá) 20 ppb 的令人困惑的尖峰而被打斷。

“但是當(dāng)歐洲團(tuán)隊(duì)宣布它沒(méi)有看到甲烷時(shí)，我絕對(duì)感到震驚，”在南加州美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作的韋伯斯特說(shuō)。

歐洲軌道飛行器旨在成為測(cè)量整個(gè)地球上甲烷和其他氣體的黃金標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，好奇號(hào)的 TLS 非常精確，它將被用于國(guó)際空間站的早期火災(zāi)探測(cè)和跟蹤宇航員服中的氧氣水平。它還被許可用于發(fā)電廠、輸油管道和戰(zhàn)斗機(jī)，飛行員可以在這些地方監(jiān)測(cè)面罩中的氧氣和二氧化碳水平。盡管如此，韋伯斯特和 SAM 團(tuán)隊(duì)對(duì)歐洲軌道飛行器的發(fā)現(xiàn)感到震驚，并立即著手仔細(xì)檢查火星上的 TLS 測(cè)量結(jié)果。

火星甲烷來(lái)自哪里？

好奇號(hào)火星車自 2012 年以來(lái)一直在火星表面，盡職盡責(zé)地進(jìn)行研究——它的任務(wù)最初計(jì)劃只進(jìn)行兩年，但盡管磨損和不斷存在的火星塵埃，這個(gè)小型火星車仍在繼續(xù)運(yùn)行。早在 2013 年，好奇號(hào)發(fā)送的讀數(shù)表明它發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的甲烷，一天后，軌道飛行器確認(rèn)了讀數(shù)。有趣的是，一個(gè)名為“微量氣體軌道器”的歐洲太空探測(cè)器在 2016 年研究了火星的同一部分，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何甲烷的蹤跡。

在火星上發(fā)現(xiàn)甲烷也很有趣，因?yàn)橐阎@種氣體在暴露于陽(yáng)光和其他化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)分解——因此，在火星表面發(fā)現(xiàn)的任何甲烷都必須在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)相對(duì)較新。但《紐約時(shí)報(bào)》也指出，很久以前的地質(zhì)過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生一定量的甲烷，然后它被困在地表下——它現(xiàn)在出現(xiàn)在地表是緩慢泄漏的結(jié)果。

Moores 和其他好奇號(hào)團(tuán)隊(duì)成員在 Gale Crater 研究風(fēng)模式，假設(shè)甲烷測(cè)量值之間的差異歸結(jié)為一天中的時(shí)間。因?yàn)樗枰罅侩娏Γ?TLS 主要在夜間運(yùn)行，而其他好奇號(hào)儀器都沒(méi)有工作。摩爾斯指出，火星的大氣在夜間很平靜，因此從地面滲出的甲烷會(huì)在好奇號(hào)可以探測(cè)到的地表附近積聚。

另一方面，微量氣體軌道飛行器需要陽(yáng)光來(lái)確定地表上方約 3 英里或 5 公里處的甲烷?！靶行潜砻娓浇娜魏未髿鈱釉诎滋於紩?huì)經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)，”摩爾斯說(shuō)。隨著暖空氣上升和冷空氣下沉，來(lái)自太陽(yáng)的熱量攪動(dòng)大氣。因此，夜間封閉在地表附近的甲烷在白天混合到更廣闊的大氣中，將其稀釋到無(wú)法檢測(cè)到的水平。“所以我意識(shí)到?jīng)]有任何儀器，尤其是繞軌道運(yùn)行的儀器，會(huì)看到任何東西，”摩爾斯說(shuō)。

來(lái)自火星車本身？

一些專家認(rèn)為，火星車本身正在釋放氣體?！八晕覀冄芯苛伺c漫游車指向、地面、巖石破碎、車輪退化的相關(guān)性——你能想到的，”韋伯斯特說(shuō)?！拔也荒芸浯髨F(tuán)隊(duì)為檢查每一個(gè)小細(xì)節(jié)所做的努力，以確保這些測(cè)量是正確的，而且確實(shí)如此。”

韋伯斯特和他的團(tuán)隊(duì)今天在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上報(bào)告了他們的結(jié)果。

在 SAM 團(tuán)隊(duì)努力確認(rèn)其甲烷檢測(cè)結(jié)果時(shí)，好奇號(hào)科學(xué)團(tuán)隊(duì)的另一名成員、來(lái)自多倫多約克大學(xué)的行星科學(xué)家 John E. Moores 在 2019 年發(fā)表了一項(xiàng)有趣的預(yù)測(cè)?？紤]到這一點(diǎn)，就我提出的問(wèn)題而言："如果好奇號(hào)和微量氣體軌道器都是正確的怎么辦？"”摩爾斯說(shuō)。

立即，好奇號(hào)團(tuán)隊(duì)決定通過(guò)收集第一批高精度白天測(cè)量來(lái)測(cè)試摩爾斯的預(yù)測(cè)。TLS 在火星的一天中連續(xù)測(cè)量甲烷，將夜間測(cè)量與白天測(cè)量括起來(lái)。在每次實(shí)驗(yàn)中，SAM 吸入火星空氣兩個(gè)小時(shí)，不斷去除二氧化碳，二氧化碳占地球大氣的 95%。這留下了一個(gè)濃縮的甲烷樣本，TLS 可以通過(guò)多次使紅外激光束通過(guò)它來(lái)輕松測(cè)量，該樣本經(jīng)過(guò)調(diào)整以使用被甲烷吸收的精確波長(zhǎng)的光。

“約翰預(yù)測(cè)甲烷在白天應(yīng)該有效地降到零，我們的兩次白天測(cè)量證實(shí)了這一點(diǎn)，”SAM 的首席研究員保羅馬哈菲說(shuō)，他在馬里蘭州格林貝爾特的美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心工作。TLS 的夜間測(cè)量完全符合團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立的平均值?！八赃@是消除這種巨大差異的一種方式，”馬哈菲說(shuō)。

雖然這項(xiàng)研究表明蓋爾隕石坑表面的甲烷濃度全天都在上升和下降，但科學(xué)家們尚未解決火星上的全球甲烷難題。甲烷是一種穩(wěn)定的分子，預(yù)計(jì)在被太陽(yáng)輻射分解之前會(huì)在火星上持續(xù)大約 300 年。如果甲烷不斷從所有類似的隕石坑中滲出，科學(xué)家們懷疑這很可能是因?yàn)樯w爾在地質(zhì)上似乎并不是獨(dú)一無(wú)二的，那么它應(yīng)該已經(jīng)在大氣中積累了足夠多的氣體供微量氣體軌道飛行器檢測(cè)到?？茖W(xué)家懷疑，在不到 300 年的時(shí)間里，某種東西正在摧毀甲烷。

正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以測(cè)試由火星大氣中的塵埃引起的非常低水平的放電是否會(huì)破壞甲烷，或者火星表面的大量氧氣是否會(huì)在甲烷到達(dá)高層大氣之前迅速將其破壞。

“我們需要確定是否存在比正常情況更快的破壞機(jī)制，以完全協(xié)調(diào)來(lái)自漫游車和軌道飛行器的數(shù)據(jù)集，”韋伯斯特說(shuō)。

隨著祝融號(hào)登錄火星，甲烷之謎應(yīng)該快要解開(kāi)了

梵觀點(diǎn)：火星或許曾經(jīng)短暫地有過(guò)生命，亦或許現(xiàn)在也還有。

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